Kalvosuodatusprosessin tehostaminen paperiteollisuuden sovelluksissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kalvosuodatuksen esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Työn kirjallisuusosassa käsitellään vuon alenemiseen vaikuttavia tekijöitä, esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Kokeellisessa osassa tutkittiin kemiallisten esikäsittelyjen vaikutusta vuon alenemiseen paperitehtaan happaman kiertoveden kirkkaan suodoksen kalvosuodatuksessa. Esikäsittelykemikaalit olivat ympäristöystävällisiä ja paperinvalmistusprosessiin soveltuvia. Lisäksi tutkittiin kalvonpesuaineiden pesutehokkuuksia. Tutkitut esikäsittelyaineet olivat mikrokiteinen kitosaani, karboksimetyyliselluloosa, selluloosa- ja puukuitu sekä kaupallinen antiskalantti. Pesuaineista tutkittiin kolmea kaupallista kalvonpesuainetta, yhtä kalvopesun tehostusainetta sekä peretikkahappoa. Kokeet tehtiin kahdella laboratoriomittakaavaisella kalvosuodattimella. Kalvoina käytettiin kahta nanosuodatus- ja yhtä ultrasuodatuskalvoa. Vuon alenemista tutkittiin suodatuksen aikaisena alenemisena ja vesivuohon verrattavana alenemisena. Esikäsittelyjen vaikutusta erotustehokkuuteen tutkittiin ioni-, johtokyky-, orgaanisen hiilen kokonaispitoisuus-, sokeri-, sameus- ja ligniinireduktioilla. Lisäksi määritettiin kalvon likaantuminen suodatuksen aikana vesivuon määrityksillä ennen ja jälkeen suodatuksen. Pesutehokkuus määritettiin vesivuon määrityksillä suodatuksen jälkeen ja pesun jälkeen. Kitosaani- ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyillä oli vuon alenemista estävä vaikutus hydrofiilisellä nanosuodatuskalvolla suodatettaessa. Kitosaanikäsittelyn 5 g/dm3:n ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyn 2 g/ dm3:n annostuksella vuot alentuivat suodatuksen aikana 8 %-yksikköä vähemmän kuin ilman esikäsittelyä. Puukuitukäsittely stabiloi 0,1 g/dm3:n annostuksella saman kalvon vuota, kun kiintoainetta ei poistettu syötöstä. Hydrofobisen nanosuodatuskalvon vuon alenemista ehkäisivät puu- ja selluloosakuitukäsittelyt sekä karboksimetyyliselluloosakäsittely. Karboksimetyyliselluloosakäsittely vähensi vuon alenemista 25 %-yksikköä ja puukuitukäsittely 13 %-yksikköä. Hydrofiilisellä ultrasuodatuskalvolla vuon aleneminen oli pientä ilman esikäsittelyä. Reduktioihin esikäsittelyt vaikuttivat parhaiten ultrasuodatuskalvolla. Kitosaanikäsittely nosti 1 g/dm3:n annostuksella alumiinireduktion 50 %:sta 96 %:iin ja 5 g/dm3:n annostuksella rautareduktion 30 %:sta 55 %:iin. Karboksyylimetyyliselluloosakäsittelyt vaikuttivat parantavasti mangaanin, magnesiumin, raudan ja kalsiumin reduktioihin. Optimi karboksyylimetyyliselluloosa-annostus oli 2 g/dm3. Merkittävin reduktion nousu oli kalsiumilla, jonka reduktio nousi esikäsittelyllä 4 %:sta 57 %:iin. Reduktiota nostava mekanismi oli kalvon pinnalle muodostuva sekundaarikerros. Pesuaineista tehokkain oli entsyymiä sisältävä kalvonpesuaine. Suurin vaikutus sillä oli hydrofobisen nanosuodatuskalvon pesussa. Optimiannostuksella (0,5 %) kalvon vesivuo pesun jälkeen oli 114 % pesua edeltäneestä vesivuosta. Muut kaupalliset pesuaneet oli tehokkaita hydrofiilisille kalvoille. Peretikkahappo oli yksittäisenä pesuaineena heikkotehoinen.

Jätekeskuksen jasuljetun kaatopaikan jätevesien esikäsittelyn tehostamismahdollisudet

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia toiminnassa olevan jätekeskuksen ja suljetun kaatopaikan jätevesien esikäsittelyn tehostamismahdollisuuksia. Tutkimuksessa pyrittiin löytämään niitä teknisiä keinoja, joilla jätevesien esikäsittelyä voidaan tehostaa erityisesti ammoniumtypen osalta. Tapausesimerkkinä työssä käytettiin Jätekukko Oy:n toiminnassa olevaa Kuopion jätekeskusta ja Kuopion kaupungin suljettua Silmäsuon kaatopaikkaa. Kohteiden jätevedet johdetaan kunnalliselle jätevedenpuhdistamolle, jossa jätevesien korkea ammoniumtyppipitoisuus ja matala lämpötila ovat häirinneet puhdistusprosessia. Tutkimuksen taustana selvitettiin jätekeskusten jakaatopaikkojen jätevesien käsittelyyn vaikuttavaa lainsäädäntöä, jätevesien ominaisuuksia ja niiden käsittelytekniikoita. Jätevesien käsittelyn nykytilaa Suomessa kartoitettiin jätehuoltoyhtiöille ja kunnille suunnatulla kyselyllä. Lisäksitutkimus perustui kenttäkokeisiin, joissa tutkittiin Kuopion jätekeskuksen nykyisen tasausaltaan toimivuutta vuoden ajan. Sekä Kuopion jätekeskuksen että Silmäsuon suljetun kaatopaikan jätevesistä otettiin vesien tarkkailuohjelmaan kuuluvien näytteiden lisäksi ylimääräisiä näytteitä, joilla pyrittiin saamaan uutta tietoa jäteveden laatumuuttujien vuodenaikaisvaihtelusta. Kuopion jätekeskuksen ja Silmäsuon suljetun kaatopaikan jätevesien käsittelyä tulevaisuudessa tarkasteltiin erilaisilla tilannemalleilla. Tutkimuksessa havaittiin, että Kuopion jätekeskuksen ja Silmäsuon suljetun kaatopaikan jätevedet olivat laadultaan ja määrältään erilaisia. Jätekeskuksen nykyinen jätevesien tasausallas poistaa ammoniumtyppeä vain kesäisin. Jätekeskuksen jätevesien nykyisen tasausaltaan toiminnan tehostaminen ei ole taloudellisesti perusteltua, vaan resurssit on kohdistettava uuden tasausaltaan rakentamiseen. Kuopion jätekeskuksen jätevesienesikäsittely ilman Silmäsuon suljetun kaatopaikan jätevesiä ei ole tarkoituksenmukaista, koska jätevedet johdetaan jätevedenpuhdistamolle samaa viemärilinjaa pitkin. Tällöin Silmäsuon suljetun kaatopaikan jätevedet tulevat mitätöimään jätekeskuksella tehdyn esikäsittelyn puhdistustuloksen Mahdollisen jätevesien yhteisen esikäsittelymenetelmän tulee olla fysikaalis-kemiallinen, jätevesien ominaisuuksista johtuen. Jos jätevesiä ei esikäsitellä yhdessä, jätekeskuksen jätevesien käsittelyksi riittävät uusi tasausallas ja siihen asennettava ilmastus. Tässä tapauksessa jätekeskuksen ympäristölupamääräysten ammoniumtyppipitoisuuden raja-arvoa on arvioitava uudelleen.

Kalvoerotusprosessin esikäsittely

Työn tavoitteena oli tutkia kiertoveden puhdistamiseen käytetyn kalvosuodatuksen esikäsittelymenetelmien vaikutusta ultrasuodatukseen. Suodatettava vesi oli kierrätyskuitua käyttävän paperikoneen kiekkosuotimen kirkassuodosta. Koeajon loppuosassa käytettiin biokirkassuodosta. Paperitehtaassa oli suljettu vesikierto. Pilot-laitteistona käytettiin Metso PaperChemin OptiFilter CR550/40 ultrasuodatusyksikköä. Testatut kalvot olivat C30 kalvoja. Suodatuksissa seurattiin esikäsittelymenetelmien vaikutusta permeaatin määrään ja laatuun. Ultrasuodatus tehtiin sekä ilman esikäsittelyä että lamelliselkeytin esikäsittelynä. Esikäsittelykemikaalina käytettiin talkkia. Ultrasuodatuksissa havaittiin, että suodatuslämpötilalla oli suora vaikutus kapasiteettiin. Lämpötila vaikutti lineaarisesti kirkassuodoksen ja biokirkassuodoksen permeaattivuohon. Lämpötila nostettiin 55oC:een suodatuslämpötilasta 35 – 40oC. Korkeassa lämpötilassa kirkassuodos oli kapasiteetiltaan suurempi kuin biokirkassuodos. Konsentrointiajoista nähtiin, että ultrasuodatuksen syötön konsentraatioaste vaikutti kirkassuodoksen permeaattivuohon. Syötön konsentraatioastetta lisättäessä kapasiteetti laski. Konsentrointiajoja vertailtaessa havaitaan, että ilman esikäsittelyä vuo laski konsentroitaessa nopeammin kuin suodatuksissa, joissa käytettiin esikäsittelyä. Lamelliselkeyttimellä ja talkilla esikäsitelty suodatus laski kapasiteettia vähiten. Konsentraatioasteen nostaminen lisäsi konsentraatin kemiallista hapenkulutusta. Konsentraatin viskositeetti nousi konsentraatioastetta lisättäessä. Analyysitulosten perusteella saadaan ultrasuodatuskalvoille tyypilliset reduktiot. COD-reduktio oli 10 – 30 %, anionisuuden 40 – 70 % ja värin 80 – 90 %. Vuon kanssa korreloivat pH, uuteaine, ligniini, viskositeetti ja hemiselluloosat.

Kalsiumkarbonaatin kemiallisfysikaalinen käsittely ja materiaalin karakterisointi

Saostettua karbonaattia voidaan käyttää useiden eri teollisuuksien tuotteissa. Pääosin saostettua kalsiumkarbonaattia kuitenkin käytetään paperin, maalien, muovien sekä elintarviketuotteiden täyteaineena. Koska monet käyttökohteet vaativat saostetulta kalsiumkarbonaatilta tiettyjä puhtausvaatimuksia, sen koostumuksen tutkiminen on suuren kiinnostuksen kohteena. Työn perimmäisenä tarkoituksena on ollut määrittää saostetun kalsiumkarbonaatin kemiallinen koostumus ja selvittää, vaikuttavatko materiaalin kemiallisfysikaalinen modifiointi sen ominaisuuksiin. Kirjallisuusosassa käsitellään yleisesti kalsiumkarbonaattimateriaaleja, saostetun kalsiumkarbonaatin valmistusmenetelmiä ja vastaavanlaisen materiaalin esikäsittelymenetelmiä. Lisäksi tarkastellaan erilaisia analyysimenetelmiä, joita voidaan käyttää kiinteiden epäorgaanisten tai mineraalinäytteiden kemiallisen koostumuksen sekä fysikaalisten ja kemiallisten reaktioiden määrittämiseen. Kokeellisessa osassa tutkittiin käsittelemättömiä saostettuja kalsiumkarbonaattinäytteiden ominaisuuksia ja kemiallista koostumusta erilaisilla alkuaine-, ioni-/spesies- sekä pyrolyysimittauksilla. Näytteitä modifioitiin lämmityksen ja jauhatuksen avulla. Modifioinnin vaikutusta näytteiden kemiallisiin koostumuksiin tutkittiin vertailemalla tuloksia käsittelemättömien näytteiden antamiin tuloksiin. Tutkimus osoitti, että näytteiden lämpökäsittelyllä ei ollut lähes ollenkaan vaikutusta näytteiden kemialliseen koostumukseen. Toisin osoitti näytteiden jauhatus, joka laski ammoniumin pitoisuutta näytteissä. Laitetekniikkaa käytettäessä kapillaarielektroforeesi, ionikromatografi, ICP-AES ja SEM (FTIR) antoivat luotettavinta tietoa näytteiden kemiallisista koostumuksista. Näytteiden fysikaalisia ja kemiallisia reaktioita voitiin havainnollistaa parhaiten käyttäen STA-QMS -laitetta.

Pretreatment processes in gold recovery by thiosulphate leaching

This thesis describes several different pretreatment processes for gold concentrates and ores. The thesis is divided to theoretical part and experimental part. The theoretical part presents the operating principle of the main pretreatment methods and their suitability for thiosulphate leaching. In the theoretical part also the whole recovery process for gold from ore to elemental gold is presented. In the experimental part the study is focused on pretreatment of sulphidic refractory concentrates with mechanical activation and chemical oxidation under alkaline environment; and their effect on leachability in the thiosulphate leaching. In the experimental part a combined 2-step process, where chemical oxidation under ammoniacal environment is cascaded with thiosulphate leaching in the same conditions, is also tested. The main sulphuric mineral components in the studied refractory concentrate are pyrite (49.4 %) and arsenopyrite (27.7 %). The gold content in the concentrate is 11.3 ppm and silver content is 90 ppm. Without pretreatment the gold conversion in thiosulphate leaching was 30 %, which was analyzed at the time point of 9 hours. At that time the silver conversion was 17 %. By using mechanical activation the gold conversion reached was 59 % and silver conversion 26 %. With chemical oxidation under alkaline environment, where the used chemical was sodium hydroxide, the reached conversion of gold was 72 % and 31 % for silver. In the combined oxidation and leaching experiment the conversion of gold remained at 49 % and 18 % for silver.

Puuhydrolysaatin esikäsittely foulaantumisen vähentämiseksi ultrasuodatuksessa

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin, voidaanko puuhydrolysaatin esikäsittelyllä vähentää sen ultrasuodatuksen aikana esiintyvää kalvojen foulaantumista. Kokeellinen osa rajattiin koskemaan hydrolysaatin käsittelyä lakkaasientsyymillä, flokkulanteilla, kitosaanilla sekä adsorbentin ja lakkaasientsyymin yhdistelmällä. Esikäsittelyjen tavoitteena oli poistaa tai hajottaa hydrolysaatin sisältämää ligniiniä. Käsittelyjen teho testattiin suodattamalla eri tavoin käsiteltyä hydrolysaattia laboratoriokokeissa. Kokeissa adsorbentin ja lakkaasientsyymin yhdistelmäkäsittely osoittautui parhaaksi. Suodatuskapasiteetti parani ja foulaantuminen väheni verrattuna esikäsittelemättömän hydrolysaatin suodatukseen. Ligniiniä poistui käsittelyssä, kuten tavoitteena oli. Suodatuksessa kuitenkin edelleen tapahtui foulaantumista ja esikäsittelyn tehoa tulisi siksi vielä parantaa. Myös esikäsittely lakkaasientsyymillä paransi suodatuskapasiteettia ja vähensi foulaantumista, mutta vähemmän kuin entsyymi-adsorbenttikäsittely.

Puun kemiallinen koostumus ja sen uuteaineiden analysointi

Tämä kandidaatintyö jakaantuu teoriaosuuteen ja kokeelliseen osaan. Teoriaosuudessa käsitellään puun kemiallista koostumusta, jossa keskitytään erityisesti puun uuteaineisiin. Puun uuteaineista käsitellään erityisesti hartsihappoja, koska ne ovat taloudellisesti arvokkaita yhdisteitä. Teoriaosuudessa esitellään puun uuteaineille eri analyysimenetelmiä kaasu- ja nestekromatografialla sekä kapillaarielektroforeesilla. Analyysimenetelmät ovat koottu tieteisartikkeleista, joissa on tutkittu ja analysoitu puun uuteaineita. Työn kokeellisessa osuudessa analyysilaitteeksi valittiin kapillaarielektroforeesi (CE). Tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla voisi analysoida puun uuteaineista hartsi- ja rasvahappoja. Kapillaarielektroforeesille testattiin viittä erilaista menetelmää. Referenssinäytteinä työssä käytettiin oleiinihappoa ja abietiinihappoa. Yhdellä testatuista menetelmistä saatiin analysoitua oleiinihappoa referenssinäytteistä, mutta mahdollisesti myös abietiinihappoa. Tässä menetelmässä CE:n puskuriliuoksena käytettiin 50 mM boraattia + 100 mM natriumlauryylisulfaattia. Menetelmässä näytteen injektioaika oli 10 sekuntia ja CE:n sähköjännite oli 25 kV. Menetelmä oli toimiva 1000 mg/L liuoksilla, joiden pH oli nostettu 9-10 natriumhydroksidilla. Menetelmän haittapuolena on se, että alle 200 mg/L:n kantaliuoksilla CE:llä ei voitu analysoida oleiini- ja abietiinihappoa. Menetelmä ei siis sovellu esimerkiksi sellaisten näytteiden analysointiin, jossa oleiini- ja abietiinihappo pitoisuudet ovat hyvin pienet (alle 200 mg/L).

Mäntyöljyn tislauksen esikäsittely

Raakamäntyöljy on selluteollisuuden sivutuote. Suopa erotetaan mustalipeästä ja palstoitetaan tuottaen siten raakamäntyöljyä. Raakamäntyöljy tislataan tavanomaisesti viiteen pääjakeeseen: rasvahapot, hartsihapot, mäntyöljytisle, esiöljy ja mäntyöljypiki. Näiden jakeiden lisäksi raakamäntyöljyssä on erityisesti mustalipeästä siihen erottuneita epäpuhtauksia, jotka haittaavat raakamäntyöljyn prosessointia. Epäpuhtauksia ovat orgaaniset ja epäorgaaniset yhdisteet, kuten metallit, suolat ja ligniini. Nämä epäpuhtaudet aiheuttavat haitallisia reaktioita prosessissa huonontaen siten lopputuotejakeiden laatua. Tämän lisäksi epäpuhtaudet aiheuttavat saostumia prosessilaitteissa alentaen siten prosessointitehokkuutta. Raakamäntyöljyn esikäsittelyllä tehostetaan tislauksen toimintaa. Työssä esitetään esikäsittelymenetelmistä mm. degumming-menetelmä, laimea happopesu, hiilidioksidikäsittely, valkaisu ja lämpökäsittely. Menetelmien pohjalta valitaan tätä työtä varten yksi menetelmä, jonka pohjalta suunnitellaan kokeellisessa osassa suoritettavat kokeet. Kokeellinen osuus koostuu esikokeista, varsinaisista kokeista ja lisäkokeista. Menetelmän tarkoituksena on saavuttaa epäpuhtauksille 90–95 % reduktioaste. Kokeiden onnistumista tutkitaan analysoimalla alkuperäinen raakamäntyöljy, sekä jokaisen kokeen jälkeen erotetut faasit. Työssä saavutettiin hyvä erotustehokkuus. Alkuperäisen tavoitteen mukaista reduktioastetta ei pystytty määrittämään eri analyysimenetelmien ja niiden analyysituloksissa ilmenneiden eroavaisuuksien vuoksi, mutta lisäkokeiden ansiosta pystyttiin vahvistamaan kyseisen koejärjestelmän optimaalinen poistoaste. Lisäksi työssä havaittiin että esikäsittelytulos on hyvin riippuvainen käsiteltävän raaka-aineen koostumuksesta.

Uuttoajan ja EDTA:n vaikutus metsitettyjen peltomaiden ravinteiden uuttumiseen happamaan ammoniumasetaattiin

Summary: Effect of extraction time and EDTA on acid ammonium concentration of afforested agricultural soils

Quality of the ryegrass and lettuce yields as affected by selenium fertilization

Selostus: Seleenilannoituksen vaikutus raiheinän ja salaatin laatuun

Development of Craniofacial Bone Defect Reconstruction Implant Based on Fibre-Reinforced Composite with Photopolymerisable Resin Systems. Experimental studies in vitro and in vivo.

Reconstruction of defects in the craniomaxillofacial (CMF) area has mainly been based on bone grafts or metallic fixing plates and screws. Particularly in the case of large calvarial and/or craniofacial defects caused by trauma, tumours or congenital malformations, there is a need for reliable reconstruction biomaterials, because bone grafts or metallic fixing systems do not completely fulfill the criteria for the best possible reconstruction methods in these complicated cases. In this series of studies, the usability of fibre-reinforced composite (FRC) was studied as a biostable, nonmetallic alternative material for reconstructing artificially created bone defects in frontal and calvarial areas of rabbits. The experimental part of this work describes the different stages of the product development process from the first in vitro tests with resin-impregnated fibrereinforced composites to the in vivo animal studies, in which this FRC was tested as an implant material for reconstructing different size bone defects in rabbit frontal and calvarial areas. In the first in vitro study, the FRC was polymerised in contact with bone or blood in the laboratory. The polymerised FRC samples were then incubated in water, which was analysed for residual monomer content by using high performance liquid chromatography (HPLC). It was found that this in vitro polymerisation in contact with bone and blood did not markedly increase the residual monomer leaching from the FRC. In the second in vitro study, different adhesive systems were tested in fixing the implant to bone surface. This was done to find an alternative implant fixing system to screws and pins. On the basis of this study, it was found that the surface of the calvarial bone needed both mechanical and chemical treatments before the resinimpregnated FRC could be properly fixed onto it. In three animal studies performed with rabbit frontal bone defects and critical size calvarial bone defect models, biological responses to the FRC implants were evaluated. On the basis of theseevaluations, it can be concluded that the FRC, based on E-glass (electrical glass) fibres forming a porous fibre veil enables the ingrowth of connective tissues to the inner structures of the material, as well as the bone formation and mineralization inside the fibre veil. Bone formation could be enhanced by using bioactive glass granules fixed to the FRC implants. FRC-implanted bone defects healed partly; no total healing of defects was achieved. Biological responses during the follow-up time, at a maximum of 12 weeks, to resin-impregnated composite implant seemed to depend on the polymerization time of the resin matrix of the FRC. Both of the studied resin systems used in the FRC were photopolymerised and the heat-induced postpolymerisation was used additionally.